汽车电子技术创新加快汽车变革步伐

　　汽车电子产品可以改善控制、安全性、燃油经济性和舒适性，同时提供类似家用的娱乐和连接体验。目前的汽车电子支撑技术承诺会在未来提升所有这些领域的功能。

　　本文讨论的产品和技术将改变汽车电子设计和汽车环境。这些创新技术包括具有双面冷却的电源封装、具有高带宽数字内容保护功能的串行器/串并转换器(SERDES)芯片组、用于停止/启动和混合动力汽车的音频放大器，可提升安全性和系统性能的传感器技术以及用于改善汽车连接体验的无线技术。

功率MOSFET封装

　　一些新型汽车应用需要更高的功率级别，比如电动助力转向(EPS)、电源、混合动力汽车的电池开关以及微型混合动力汽车上的集成式启动器交流发动机(ISA)等。

　　国际整流器公司(International Rectifier)的汽车DirectFET2功率MOSFET可提供更高的功率密度、双面冷却以及用于重型汽车荷载的极低寄生电感和电阻。其封装设计采用铸造铜夹将MOSFET的漏级与PCB相连，可提供改进的电气连接和顶部冷却途径(图1)。

图1：IR的DirectFET2封装对于三种封装大小采用经过改进的相同内部结构。

　　汽车级封装版本(AEC-Q100标准)于2010年年初发布，该封装已经在大功率计算应用中使用多年。通过全面的汽车测试需对设计进行修改，同时IR还增大了封装尺寸。

　　汽车级DirectFET2功率MOSFET的额定值均在175°C的最高结温下提供。这些MOSFET的湿敏等级为1级(MSL1)。IR最近增加三个汽车系列的新成员。

　　AUIRF7738L2和AUIRF7737L2的最大电阻分别为1.6 mΩ和1.9mΩ，源漏电压为40 V，与业界标准D2Pak封装相比，其封装尺寸更大，电路板空间小60%。AUIRF7736M2的最大电阻为3.0mΩ，源漏电压也为40V，它采用较小的中型DirectFET2封装，电路板空间与5mm×6mm方形扁平无引脚封装(PQFN)或SO-8封装相同。

具有HDCP功能的SerDes芯片组

　　美国国家半导体公司(National Semiconductor)的FPD-Link III SERDES芯片组在2010年最初推出时满足了汽车信息娱乐和驾驶辅助系统的需求。例如，它可以用于将来自车载摄像头的高速视频数据传送到数字显示屏中。

　　最近推出的DS90UH925Q串行器和DS90UH926Q串并转换器是业界首个用于汽车信息娱乐系统的具有高带宽数字内容保护(HDCP)的SERDES芯片组。由于该芯片组支持满足数字内容保护(DCP)LLC的规范的受保护视频和音频内容的车内分发，因此它支持在车内播放分辨率高达720p的蓝光电影。华纳兄弟娱乐公司、迪斯尼公司和索尼影视娱乐等主要内容提供商均认可HDCP功能。

　　在汽车中提供高品质观看体验是汽车制造商致力于在移动环境中提供家用级体验的工作的目标之一。此外，最新的FPD-Link III SERDES芯片组(图2)支持音视频数据与单差分对的双向控制的合并。这样就压缩了互连尺寸、重量和成本，进一步简化了汽车系统的系统设计工作。

图2：NSC的DS90UH925Q串行器和DS90UH926Q解串器在一条双绞线电缆上实现高带宽数据和控制。

　　保存在SERDES芯片组中的独特HDCP密钥可防止视频内容在未经授权的情况下使用。此外，此芯片组还可对内容数据加密。它根据HDCP规范进行所需的认证交换。

音频放大器

　　意法半导体(ST)的TDA7850LV音频功率放大器可解决节能型发动机启停功能带来的问题。这种特性与高效率引擎管理程序等其它技术相结合，有望将某种模式下的油耗降低20%。根据Strategy Analytics公司的数据，截至2015年启停系统的年需求量有望达到2千万部。

　　由于电池是电力的唯一来源，因此微型混合动力汽车和混合动力电动汽车中的启停系统可在发动机关闭和重新启动时使车载电子设备的供电电压下降至6V。

　　此外，电池电源和交流发电机电源之间的切换会产生“咔嗒”的噪声。在这两种情形下，车内音频的品质都会降低。

　　TDA7850LV是意法半导体新型器件系列(图3)的首个成员，该器件专为解决这些新兴的电力辅助汽车中的这些问题而设计。4x50W MOSFET输出级具有2Ω输出驱动器，可与诸多扬声器类型兼容。

图3：ST针对启停功能的音频功率放大器提供了三种不同的外形尺寸。

　　此外，该器件还集成了调节供电电压和抑制“咔嗒”噪声的电路。由于不需要增加外部元器件来获取这些功能，因此简化了系统设计工程师的设计工作，降低了成本，同时节省了PCB空间。

　　随着汽车变革步伐的加快，能够解决其它汽车系统中的变革引起的问题的及时创新IC将变得越来越普遍。

提升安全性和系统性能的传感器技术

　　从多轴微机电系统(MEMS)到视频和雷达传感器，从舶来品到成熟的技术，传感器开创了控制系统的历程。传感器和基于传感器的系统的供应商正在开发的最新技术进步包括高级封装、传感器接口以及整合的传感器和先进系统概念，以实现更高的控制并降低安全系统的成本。

　　系统要求规定了传感器或用于系统中的传感器的规格，并最终确定哪一种传感器技术满足这些要求。电动助力转向(EPS)就是一个很好的例子。EPS是汽车制造商使用的节能措施之一。

　　EPS正凭借能将油耗降低4%的能力而逐渐普及。根据底特律新闻报中一篇文章，福特汽车公司表示，截至2012年该公司90%的汽车都将拥有EPS。美国密歇根州萨吉诺的一家公司Nexteer Automotive的全尺寸皮卡有望在未来三年内开始使用电动助力转向。

　　EPS也是自动停车辅助、自适应巡航控制(ACC)等其它高级功能、混合动力汽车和带起停式系统的汽车的基本功能。此外，EPS还可能是未来防撞系统的一部分。

　　在EPS系统中，传感器指示驾驶员的转向要求，因此微控制器可以开动驾驶杆或转向齿条的电动马达。霍尔器件(半导体传感器元老之一)不断针对EPS和其它马达控制应用进行改进。已有两家供应商在EPS系统中采用了截然不同的霍尔技术。

　　Melexis继推出USx88x系统之后已设计出其第二代霍尔锁存传感器。首款产品MLX92211的工作电压为2.7至24V。垂直施加于封装顶部的南北磁场可产生用于切换“开通”和“关断”的开漏输出。

　　除了极高的静电放电(ESD)、反向电压保护和输出短路保护等级等保护功能之外，平台的磁芯设计还可以最大限度地降低温度敏感性。为补偿温度上升时的磁性减弱，Melexis实现了-1000 ppm/℃的负温度系数。这样就可以产生极稳定和精确的磁铁开关点。除了EPS应用之外，霍尔器件还可用于车窗玻璃升降器、天窗、座椅调节器、刮水器或电机换向中。

　　相比之下，博世(Bosch)的工程师选择在ESC系统中使用霍尔器件。为降低成本，这种方法替代了GMR(巨磁阻)技术提供的绝对测量方法，该公司在其LWS5转向角传感器中使用了这一技术。更新的LWS6专门针对紧凑型汽车和小型汽车的基本功能，也可以用于电动液压助力转向或ACC系统。这个成本更低的技术仍可提供1.5的典型转向角信号分辨率。控制器件通过来自传感器的方波输出计算转向车轮的位置、旋转方向和旋转速度。

　　博世的工程师还将霍尔器件用于专门针对EPS应用的扭矩传感器转向(TSS)中。此传感器包含两个霍尔传感元件，可测量驾驶员通过围绕扭力杆的两个同心圆的操作所施加的转向力。轮胎和路面之间的摩擦阻力引起转向力增加，从而产生成正比的TSS输出，它可以解决磁通量变化引起的小至0.002°的扭角(参见图4)。

　　EPS和ESC只是霍尔传感器的两个汽车应用。霍尔传感技术已被Preh作为非接触式传感方法集成到Ford Coyote V-8引擎的Pierburg油门体中。用于Ford F-150卡车和Mustang客车的霍尔设计可提供电位传感器的备用方案。对于可能的应用，此传感器的工作温度范围为-58℃至+160℃。

1. 传感器接口要求

　　传感器一般通过控制器局域网络(CAN)或本地互连网络(LIN)协议连接到汽车总线。SAE J2716 SENT(用于单边半字节传输)协议和PSI5组织的外围传感器接口5(PSI5)是专为传感器开发的两个新兴接口。

　　SAE的SENT编码方案针对高分辨率传感器数据需要传送到引擎控制模块等电子控制单元(ECU)的应用。SENT只需要一次转换，而不需要传统技术所需的多次模数转换，从而节省了传感器和ECU的成本。除了方便实现SENT的诊断功能之外，该协议还提供用于可靠数据传输的循环冗余码校验(CRC)。

　　奥地利微电子公司(Austria Microsystems)在其AS5165角位置传感器中使用了霍尔传感技术，该传感器增加了使用SENT协议传送数据的能力，针对节气门和阀门位置传感和其它动力系统传感应用。磁性编码器在单个封装中整合了集成式霍尔元件、模拟前端和数字信号处理功能。除了易于传送高分辨率传感器信息之外，此传感器还集成了多个保护功能，包括防止电源和输出引脚的电压达到27V的过压保护、防止电源引脚出现-18V的反极性的保护以及用于连续短路检测和断丝检测的保护。

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　　PSI5是专门用于安全气囊系统的二线接口。曼彻斯特编码的数字数据传输可实现125kbps的数据传输速度、高EMC鲁棒性和低辐射。除了规定各种传感器供电电流之外，协议还支持备用的连接(参见图5)。

　　飞思卡尔半导体(Freescale)最近推出的MMA5xxxW加速度计是一款采用无引脚方形扁平(QFN)封装的X轴或Z轴卫星惯性传感器，该传感器与PSI5 rev 1.3标准协议兼容。除了特殊的接口之外，MEMS加速度计的过阻尼设计还提供防止寄生振动的保护，以获得更鲁棒的正面和侧面安全气囊解决方案。与其它基于SOIC的可用设计相比，QFN封装可提供更小的电路板空间。

2. 摄像头和雷达传感器

　　当今汽车中最复杂的传感器可能是能够拓宽驾驶员视野的传感器。摄像头和雷达传感器通常应用于高端汽车中，但是多家供应商正在致力于拓宽这些传感器在汽车中的应用范围。Delphi、TRW和Continental公司采用的技术各不相同。

　　Delphi公司在其停车引导系统中使用了后视摄像头，而不是超声波传感器。该公司声称，该系统是停车问题的低成本解决方案。高级算法获取摄像头提供的信息，然后确定是否有足够的停车空间并计算后退路径。驾驶员接收语言形式的停车逐步指示和汽车显示屏上的视觉指示。可扩展性使系统能够实现各种停车辅助方案，这取决于汽车制造商的要求。

　　TRW公司希望其AC100 24GHz雷达技术能够让其碰撞减轻制动(CMB)系统应用于广阔的汽车市场中，该雷达传感器的价格为77 GHz雷达传感器价格的一半左右。TRW的CMB技术用于解决城市交通和交通堵塞引起的问题，该技术应用于近距离(6-7米，即20-23英尺)。在该距离内，可以通过制动以有限的减速将速度降低20kph (12.4 mph)，从而防止发生碰撞。

　　在150m(492英尺)的范围内，24GHz的雷达还能支持自适应巡航控制等驾驶辅助功能。这使得该技术能够用于车速高达160kph(99.4mph)的高速公路上。城市和高速驾驶相结合可以满足当今大众市场汽车的诸多需求。

　　整合雷达和基于摄像头的视觉传感器的优势已在多款汽车中得以体现。不过，Continental公司的工程师正在力图通过整合来进一步防止事故的发生。在制动空间不足的实例中，驾驶员围绕障碍物转向以便防止碰撞的能力可提供另一种防撞备选方案。Continental公司的紧急转向辅助概念利用来自雷达的长距离信息，有望增加来自摄像头系统的视频图像，这与已用于智能大灯控制的做法比较类似。这种整合可在高速公路上为驾驶员提供范围较远的威胁评估。

　　EPS和ESC配合使用时，驾驶员可以向右侧或左侧转向，避免发生碰撞(特别是在始料未及的停车情况下)。ESC的滚动旨在快速转向操作时使汽车保持在路面上，并通过选择性地将最初的制动压力施加到各个车轮上来稳定汽车。由于用于ESA的所需元器件已在许多汽车中得以应用，因此Continental公司的工程师自信地认为，汽车制造商能够以相对便宜的价位实现这一功能(参见图6)。

图6： Continental的紧急转向辅助系统显示了EPS如何与其他车载系统协作以避免事故。

　　如今的汽车依赖针对各种应用的多种无线技术，范围涵盖传统广播无线信号、遥控钥匙(RKE)、轮胎气压监测、双向蓝牙、WiFi、蜂窝、专用短距离通信(DSRC)连接等。越来越多地使用无线设备与技术进步和利用最新无线功能的不懈努力有着直接关系。于是，远程信息处理和车载信息娱乐的角色继续在汽车领域中得到拓展。

1. 改进的无线技术

　　随着为汽车开发新通信系统的工作的不断推进，IC供应商正在瞄准诸多现有的无线应用。当然，集成的优势在最新的IC中非常明显，它可以在更小的空间内提供更多的功能，并降低总系统成本。Atmel的用于混合密钥应用的单芯片高级加密标准(AES)-128发动机防盗系统和RKE微控制器就是这样一个例子。ATA5795特别针对同一钥匙中集成了发动机防盗系统和RKE功能的大批量单向汽车钥匙。

　　内置ATA5795的钥匙与汽车中的接收器通信(图7)。ATA5795中的N分频发射器覆盖315MHz和433MHz频带。AES-128加密引擎同时用于发动机防盗系统和RKE功能，可在两个应用中实现类似的安全方案。5mm×5mm的QFN封装中可容纳所有的芯片集成电路及其超低功耗的AVR内核，因此适合钥匙的小电路板空间。

　　借助现有FM和AM收音机频道的增强音质、更多的编程选择和新无线数据服务，iBiquity的高清广播技术现已被13家汽车品牌所拥有的70多条汽车生产线采纳。作为响应，意法半导体开发了一种可满足与日俱增的高清广播技术市场的芯片组。这个端到端解决方案将基带接收器(STA680)与RF前端IC(TDA7706)整合在一起。此外，这种组合通过包含Conditional访问支持和双通道应用(HD Radio 1.5)的特性，从而拓展了高清广播接收器的功能。

　　STA680可同时解调来自两个TDA7706的两个不同的高清广播流。该芯片组通过双音频流处理来满足单通道和双通道高清应用的需求。在双通道配置中，系统可以同时解调来自第一个广播频道的音频和数据以及来自第二个广播频道的数据(图8)。它还可以接收来自一个频道的音频内容，同时获取来自另一个频道的交通或天气数据。

图8：STA680 RF前端IC能够同时解调来自两个独立射频通道音频和数据，从而为高清广播用户提供更多的收听选择。

　　该芯片组内置在Alps Electric模块中，并被iBiquity Digital公司确认为可满足全面的性能要求。

2. 汽车面临的无线技术难题

　　尽管可用的无线技术很多，但是一些车主可能并不满足于OEM提供的这些无线技术，他们也可能倾向于用一些最新的无线技术更新旧汽车。可能最大的难题之一在于在常规通信时或者汽车靠近蜂窝基站边沿时缺少可用的手机信号。另一个必须解决的问题是让后座乘客在行车时保持安静。

　　Wilson Electronics公司的Sleek手机信号增强器可放大发送至和来自北美蜂窝基站的信号。该信号增强器(器件号815226)的工作频率为800MHz(蜂窝)和1900MHz (PCS)频带，该器件可减少掉线，扩大信号范围，并提高数据速率。完整的系统套件包括一个适合各种蜂窝手机和智能手机形状的支架，一根天线和一个电源适配器(图9)。

改善汽车连接体验的无线技术

　　车顶天线可接收来自蜂窝基站的信号，并将该信号通过数据线传送到支架。信号增强后，Sleek的内置天线将信号发送至蜂窝手机。此过程为双向过程，因此蜂窝手机可将增强的信号发送回蜂窝基站。

　　815226的增益为20db(最大输出功率为1.82W或32.6dBm)，噪声系数为3.0dB(标称值)。该器件符合蜂窝设备的行业标准，已获得美国联邦电信委员会的承认，且满足加拿大工业部的要求。

　　iSuppli公司汽车研究部副总裁Phil Magney表示，后座娱乐(RSE)系统的数量和复杂程度正变得越来越高。根据iSuppli车载数字娱乐门户网站的分析，Magney预计截至2015年OEM RSE的交付量将从2009年的310万部增长到560万部。并且这种增长的基础并不仅仅依靠DVD播放机的增长。不断增长的选择方案列表包括游戏机系统、品牌音频、高清广播、USB、MP3连接、移动电视、更大的显示屏尺寸和WiFi。

　　娱乐设备的发展将远远超出为小孩解闷这一范畴，不过低龄后座乘客仍将是这些产品的主要使用者。为了让低龄儿童摆脱有线的困扰，Kidz Gear引进了针对小孩的IR68KG02无线汽车耳机。

　　如果汽车不附带针对儿童的无 线耳机，或者安装了后装系统，红外(IR)无 线耳机则可以为这些低龄儿童提供适合的尺寸。该耳机与具有单通道内置IR DVD/视频系统的美国汽车兼容，可在耳机上提供独立的音量控制，空闲时可自动关断。使用IR技术可以避免不断增长的RF无线信号可能造成的干扰。